JP2011075978A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光結合損失を抑制し低コスト化を図る。
【解決手段】光素子アレイは、光素子が配列したアレイ構造を有する。レンズアレイは、複数のレンズが配列したアレイ構造を有する。光素子アレイの各光素子の光ビームの出射点を、レンズアレイの各レンズ中心線の位置に一致させて、光ビームをレンズに入射して、レンズから平行ビームを出射する。また、光素子の光ビーム出射点とレンズの光軸を一致させるときに、光素子内の光路と光軸は一致しない。
【選択図】図１

Description

本発明は、光モジュールに関し、光伝送を行う光モジュールに関する。

近年、ブロードバンドサービスによる通信需要の増大に伴い、光通信ネットワークの長距離・大容量化が進展しており、高速大容量のＷＤＭ（Wavelength Division Multiplex：波長の異なる光を多重して、１本の光ファイバで複数の信号を同時に伝送する波長多重伝送方式）の開発が進んでいる。

一方、インターネットの急激な普及や大容量コンテンツの増加に伴って、さらなる高速・大容量で、かつ柔軟性のある光通信ネットワークが要求されており、このような光通信ネットワークを構築する技術として、光パケットスイッチング技術が注目されている。

光パケットスイッチングは、通信情報を完全に光のままパケット交換する技術であり、従来の光信号を電気信号に一旦変換するスイッチングと比べて、電子処理速度の制限がなくなり、光の伝搬遅延時間で処理できるので、高速・大容量の伝送が可能となる。

光信号をパケット単位でスイッチングする場合、光信号をＯＮ、ＯＦＦするためにゲートスイッチを使用することになる。電気制御によって光信号をＯＮ、ＯＦＦするゲートスイッチには主に、電界吸収の効果を利用して吸収を変化させるものと、半導体アンプへの駆動電流により利得を変化させるものとがある。

電界吸収型のゲートスイッチは、透過状態でも損失が大きいといった欠点があるが、半導体アンプへの駆動電流により利得を変化させるスイッチである半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）では、光をＯＮ、ＯＦＦする光ゲートしての機能だけでなく、増幅機能をも持ち合わせており（ゲートＯＮ時には光は増幅されて出力する）、光信号の損失が小さく高速にスイッチングする光素子として現在注目されている。

ＳＯＡは、ゲートＯＮ（open）／ＯＦＦ（close）の消光比が高く、また増幅機構により光損失を低減化することができる。さらに、半導体により形成される光素子のため、半導体集積技術によって、低コストで小型化可能といった利点を持つ（なお、消光比とは、ゲートＯＮ時の信号“１”“０”の平均光強度と、ゲートＯＦＦ時の信号“１”“０”の平均光強度の比率のことで、消光比が大きいほどゲートＯＮ、ＯＦＦが明確に識別でき、他のポートへの信号の混信（クロストーク）が少なくなり、符号誤り率が小さくなる）。

光ゲートスイッチでは、複数のチャネルを一括で形成する、いわゆるアレイ化を行うことにより、モジュールや装置の小型化、低消費電力化、低コスト化を実現することが要求されている。

特開２００７−３３８５３号公報 特開２００８−２３５３７６号公報

Farries, M.C. Buus, J. Robbins, D.J. "Analysis of antireflection coatings on angled facet semiconductor laser amplifiers,"Electronics Letters, 15 March 1990, Volume: 26, pp. 381−382

通常、光を発出する光素子と、光ファイバとの光結合を行う場合、まず、光素子と第１レンズとを光結合して、光素子からの出射光を第１レンズで平行光に変換する。そして、その平行光を第２レンズで集光させて光ファイバに入射する構成がとられる（第１レンズだけで、平行光を生成して光ファイバに集光させる構成もある）。

図２３はＬＤ（Laser Diode）とレンズとの光結合を示す図である。光素子として、単チャネルのＬＤを用いた際の光結合を示している。なお、以降の説明では、光素子と、第１レンズとを示し、平行光を集光する第２レンズおよび光ファイバの図示は省略する。

図２３に示す構成では、ＬＤ５１の出射光の広がり角の中心（中心線）を、レンズ５２の中心線に一致させ、ＬＤ５１の出射光を、レンズ５２によって平行光に変換している。
図２４はＬＤアレイとレンズアレイとの光結合を示す図である。多チャネルの光結合として、４チャネルの場合を示している。ＬＤアレイ５１ａは、４つのＬＤをアレイ化したものであり、レンズアレイ５２ａは、４つのレンズをアレイ化したものである。

図２３と同様にして、ＬＤアレイ５１ａの各ＬＤの出射光の広がり角の中心を、レンズアレイ５２ａの各レンズの中心線にそれぞれ一致させて、レンズアレイ５２ａから平行光を出射させる。なお、ＬＤアレイ５１ａおよびレンズアレイ５２ａのアレイピッチはすべて同一である。

次にＬＤの代わりにＳＯＡを用いて光結合を行う場合を考える。ここで、ＳＯＡを用いた光ゲートスイッチでは、ＳＯＡの発振を抑えるために、ＳＯＡ出射端面の反射率を低減させる必要がある。

このため、通常はＳＯＡチップの端面に無反射膜であるＡＲ（Anti Reflection）コートを施している。また、ＡＲコートのみの反射減衰量の低減だけでは十分ではないので、さらにＳＯＡ内の光導波路を斜めにする形状にして、反射戻り光を抑制する構成がとられている。

図２５はＳＯＡアレイを示す図である。４チャネルのＳＯＡをアレイ化したＳＯＡアレイ６１ａを示している。ＳＯＡアレイ６１ａの各ＳＯＡ端面には、ＡＲコートが施されている。さらにＳＯＡ端面の垂直線に対して、例えば、２２．３度で光が出射されるように、ＳＯＡ内の光導波路Ｌが斜めに形成されている。

このような構造にすることで、ＳＯＡ内部の光導波路Ｌを通る光は、ＳＯＡのチップ端面で反射しても、その反射光は、図２５に示すＡ方向へ反射することになる。このため、再び光導波路Ｌを逆戻りして干渉が発生することがなくなり、反射戻り光を抑制することができる。なお、各チャネルのＳＯＡから出射される光ビームには、ある広がり角を持っているが、図では出射光の広がり角（ビーム広がり角）の中心（中心線）のみを示した。

次にＳＯＡとレンズとの光結合について説明する。図２６はＳＯＡとレンズとの光結合を示す図である。ＳＯＡによる単チャネルの光結合を示している。ＳＯＡ６１とレンズ６２との光結合をする場合、ＳＯＡ６１のビーム広がり角の中心が、上述したように斜めに傾いている。したがって、図２６に示すように、ＳＯＡ６１の端面とレンズ６２の主面とを平行に配置した状態で、レンズ６２の中心位置ｐ０に対して、ＳＯＡ６１の出射光の中心線を斜めに入射させている。

図２７はＳＯＡアレイとレンズアレイとの光結合を示す図である。光モジュール６は、ＳＯＡによる多チャネルの光結合を行う。図２６と同様に、ＳＯＡ端面に対して、斜め２２．３度に出射される光を、ＳＯＡアレイ６１ａと同一のアレイピッチを持つレンズアレイ６２ａに入射して光結合する。

図２６、図２７の構成（上記の特許文献１に記載されている）においては、ＳＯＡアレイ６１ａからの出射光が、レンズアレイ６２ａの各レンズの中心に対して傾いて入射するため（ＳＯＡアレイ６１ａの各ＳＯＡの出射光の中心ビームと、レンズアレイ６２ａの各レンズの中心線とが平行でないため）、レンズアレイ６２ａを通った後の光は、ＳＯＡのビーム広がり角の中心ビームｂ０と、中心ビームｂ０の両脇で屈折したビームｂ１、ｂ２との行き先が異なってしまう。このため、レンズアレイ６２ａにおいて平行光が生成されず、後段に配置される図示しない光ファイバアレイに対する光結合の損失が大きく劣化してしまうという問題があった。

このような問題点に対し、上記の特許文献２に記載されている従来技術では、ＬＤの場合と同じようにして、ＳＯＡのビーム広がり角の中心線をレンズの中心線に一致させて光結合を行っている。

図２８はＳＯＡとレンズとの光結合を示す図である。光モジュール６において、ＳＯＡ６１の出射光の中心ビームをレンズ６２のレンズ中心線に平行にして一致させる。ＳＯＡ６１とレンズ６２とをこのように配置することにより、ＳＯＡ６１のビーム広がり角の中心ビームと、中心ビームの両脇で屈折したビームとの行き先が同じになるため、レンズ６２からは平行光が出射されることになり、光結合損失の劣化を抑制することが可能になる。

図２９はＳＯＡアレイとレンズアレイとの光結合を示す図である。光モジュール６−１において、段差が付けられたＳＯＡアレイ６１−１と、レンズアレイ６２ａとの配置状態を示している。

図２８のように、ＳＯＡ６１の出射光の中心ビームをレンズ６２の中心線に一致させて、ＳＯＡ端面とレンズ主面の距離が各チャネルですべて同じになるようにアレイ化するには、図２９に示すように、各ＳＯＡチップの配列に段差を設けた、ＳＯＡアレイ６１−１のような形状を製造することになる。

図３０はＳＯＡアレイとレンズアレイとの光結合の構成を示す図である。光モジュール６−２において、ＳＯＡアレイ６１ａと、段差が付けられたレンズアレイ６２−１との配置状態を示している。

図２８のように、ＳＯＡ６１の出射光の中心ビームをレンズ６２の中心線に一致させて、ＳＯＡ端面とレンズ主面の距離が各チャネルですべて同じになるようにアレイ化するには、図３０に示すように、各レンズの配列に段差を設けた、レンズアレイ６２−１のような形状を製造することになる。

しかし、図２９、図３０のどちらの構成においても、ＳＯＡアレイ６１−１またはレンズアレイ６２−１は歪な形状となり、このような段差を付けるための製造が難しく、ＳＯＡアレイ６１−１やレンズアレイ６２−１の部品製造コストが大幅に増大するといった問題があった。

以上のように、図２７に示す従来の構成（光モジュール６）では、平行光が生成されないために、後段に配置される光ファイバに対する光結合損失が大きく劣化することになる。また、図２９、図３０に示す従来の構成（光モジュール６−１、６−２）では、平行光は生成されるが、複雑な形状のＳＯＡアレイまたはレンズアレイを製造することになるので、部品製造コストが増大することになる。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、光結合損失を抑制し、かつ低コスト化を図った光モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、光モジュールが提供される。この光モジュールは、素子端面の垂直線に対し傾斜して光ビームが出射する複数の光素子が配列した光素子アレイと、複数のレンズが配列したレンズアレイとを備える。また、光素子の光ビームの出射点を、レンズの中心線の位置に一致させて、光ビームをレンズに入射する。

光結合損失を抑制し、低コスト化を図ることが可能になる。

光モジュールの構成例を示す図である。 光モジュールの構成例を示す図である。 光モジュールの構成例を示す図である。 光モジュールの構成例を示す図である。 ＬＤとレンズとの光結合を示す図である。 ＳＯＡとレンズとの光結合を示す図である。 球面レンズの光線経路を示す図である。 無収差レンズの光線経路を示す図である。 蹴られが生じる様子を示す図である。 高ＮＡのレンズによる光結合を示す図である。 ＮＡを示す図である。 光ビーム中心線の傾斜角を示す図である。 光ビーム中心線の傾斜角と反射減衰量との関係を示す図である。 スポットサイズを説明するための図である。 光導波路の傾斜角を示す図である。 光導波路の傾斜角と反射減衰量との関係を示す図である。 光モジュールの内容を示す図である。 光モジュールの内容を示す図である。 光モジュールの効果を示す図である。 光モジュールの変形例を示す図である。 光モジュールの変形例を示す図である。 ＳＯＡアレイモジュールの構成例を示す図である。 ＬＤとレンズとの光結合を示す図である。 ＬＤアレイとレンズアレイとの光結合を示す図である。 ＳＯＡアレイを示す図である。 ＳＯＡとレンズとの光結合を示す図である。 ＳＯＡアレイとレンズアレイとの光結合を示す図である。 ＳＯＡとレンズとの光結合を示す図である。 ＳＯＡアレイとレンズアレイとの光結合を示す図である。 ＳＯＡアレイとレンズアレイとの光結合を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は光モジュールの構成例を示す図である。光モジュール１は、光素子アレイ１０とレンズアレイ２０とを備える。
光素子アレイ１０は、素子端面の垂直線（図中のレンズ中心線と同じになる）に対し、有意な大きさの角度を持って光ビームが傾斜して出射する複数の光素子が配列した構造をとる。図の場合は、４つの光素子１１−１〜１１−４が配列した４チャネルのアレイ構造を示している。

なお、光素子アレイ１０は例えば、ＳＯＡアレイに該当し、以降の説明では、ＳＯＡ１１−１〜１１−４（総称する場合はＳＯＡ１１）が配列したＳＯＡアレイ１０として説明する。

レンズアレイ２０は、複数のレンズが配列した構造をとり、４つのレンズ２１−１〜２１−４（総称する場合はレンズ２１）が配列したアレイ構造としている。
ここで、ＳＯＡアレイ１０の光ビームの出射点（発光点）を、レンズアレイ２０のレンズ中心線（レンズ凸部の中心線）の位置に一致させて、ＳＯＡ１１−１〜１１−４から出射される光ビームをそれぞれ、レンズ２１−１〜２１−４に入射する。

すなわち、ＳＯＡ１１−１の光ビームの出射点ｓ１を、レンズ２１−１のレンズ中心線ｒ１に一致させて、ＳＯＡ１１−１から出射される光ビームをレンズ２１−１に入射する。同様に、ＳＯＡ１１−２の光ビームの出射点ｓ２を、レンズ２１−２のレンズ中心線ｒ２に一致させて、ＳＯＡ１１−２から出射される光ビームをレンズ２１−２に入射する。

また、ＳＯＡ１１−３の光ビームの出射点ｓ３を、レンズ２１−３のレンズ中心線ｒ３に一致させて、ＳＯＡ１１−３から出射される光ビームをレンズ２１−３に入射する。さらに、ＳＯＡ１１−４の光ビームの出射点ｓ４を、レンズ２１−４のレンズ中心線ｒ４に一致させて、ＳＯＡ１１−４から出射される光ビームをレンズ２１−４に入射する。

このように、ＳＯＡアレイ１０の光ビーム出射端面とレンズアレイ２０のレンズ主面とを平行に配置し、各ＳＯＡから斜めに出射される光ビームの出射点とレンズ中心線とを一致させて、レンズに光ビームを入射させる。

これにより、レンズアレイ２０で複数チャネルの平行光が生成されることになり、後段に配置される、図示しない光ファイバアレイへの光結合損失の劣化を抑制することが可能になる。また、従来のような段差を設けたアレイ構造が不要であるので、製造コストの削減を図ることも可能になる。

次に集光レンズアレイおよび光ファイバアレイを含む光モジュールの構成について説明する。図２は光モジュールの構成例を示す図である。光モジュール１−１は、ＳＯＡアレイ１０、レンズアレイ２０、集光レンズアレイ３０および光ファイバアレイ４０を備え、４チャネルの光結合を行う場合の構成例としている。

集光レンズアレイ３０は、複数（ここでは４チャネル）の集光レンズが配列したレンズアレイであって、レンズアレイ２０の各レンズから出射した平行ビームを光ファイバに集光する。光ファイバアレイ４０は、例えば、ＳＭＦ（Single Mode Fiber）の光ファイバが複数（ここでは４チャネル）配列した光ファイバアレイである。

光モジュール１−１では、ＳＯＡアレイ１０とレンズアレイ２０の光結合部分、または集光レンズアレイ３０と光ファイバアレイ４０の光結合部分において、レンズの中心から外れた片側の面の位置に、すべての光ビームが通過する。

また、各素子の配置は、レンズアレイ２０と集光レンズアレイ３０とは対にして配置する。このとき、レンズアレイ２０の焦点と集光レンズアレイ３０の焦点とが一致するように配置して、共焦点系で光結合を行っている。

さらに、ＳＯＡアレイ１０の出射端面に対して、レンズアレイ２０のレンズ主面、集光レンズアレイ３０のレンズ主面および光ファイバアレイ４０の入射端面を平行に配置する。平行配置することにより、各チャネルの素子の光結合損失のばらつきを抑制する。

さらにまた、光ファイバアレイ４０の各光ファイバの入射点を、集光レンズアレイ３０の各集光レンズの中心線の位置に一致させるように配置する。これにより、集光レンズと光ファイバとの光結合損失を抑制する。

ここで、レンズアレイ２０は、表面と裏面とはどちらかが平板構造であって、例えば、表面を凸部とし、裏面を平板部とする。また、集光レンズアレイ３０は、表面と裏面とはどちらかが平板構造であって、例えば、表面を凸部とし、裏面を平板部とする。

光モジュール１−１では、レンズアレイ２０の凸部をＳＯＡアレイ１０側に向け、平板部を光ファイバアレイ４０側に向けて配置している。また、集光レンズアレイ３０の凸部を光ファイバアレイ４０側に向け、平板部をＳＯＡアレイ１０側に向けて配置している。

図３は光モジュールの構成例を示す図である。光モジュール１ａ−１は、ＳＯＡアレイ１０、レンズアレイ２０、集光レンズアレイ３０および光ファイバアレイ４０を備える。図２と異なる点は、レンズアレイ２０と集光レンズアレイ３０の配置向きが異なることである。

光モジュール１ａ−１では、レンズアレイ２０の平板部をＳＯＡアレイ１０側に向け、凸部を光ファイバアレイ４０側に向けて配置している。また、集光レンズアレイ３０の平板部を光ファイバアレイ４０側に向け、凸部をＳＯＡアレイ１０側に向けて配置している。

図２で示した光モジュール１−１の配置構成の場合、レンズアレイ２０や集光レンズアレイ３０の平板部において反射が生じて反射戻り光が生じるおそれがある。これに対し、図３に示した光モジュール１ａ−１のような配置構成にすることで、レンズアレイ２０や集光レンズアレイ３０の平板部で生じる反射を低減させることができる。

次にアレイ・アイソレータを有する光モジュールについて説明する。図４は光モジュールの構成例を示す図である。光モジュール１−２は、ＳＯＡアレイ１０、レンズアレイ２０、集光レンズアレイ３０、光ファイバアレイ４０およびアレイ・アイソレータ７０を備える。

アレイ・アイソレータ７０は、複数の光アイソレータが配列してアレイ構造を持つデバイスであり、レンズアレイ２０と集光レンズアレイ３０との間に配置される。なお、光アイソレータは、図の矢印方向にのみ所要の光を通して、逆方向には光は通さないデバイスである。

アレイ・アイソレータ７０を有することにより、光モジュール１−２の外部で生じた反射戻り光をブロックすることができる。具体的には、光ファイバアレイ４０より出力した信号光がシステム内で反射する可能性がある場合、その反射戻り光をＳＯＡアレイ１０に入射することをブロックすることが可能である。

次に光モジュール１の構成で平行光が生成される理由について説明する。図５はＬＤとレンズとの光結合を示す図である。ＬＤ５１の出射端面とレンズ５２のレンズ主面とを平行に配置し、ＬＤ５１の出射ビームの広がり角の中心を、レンズ５２の中心線に一致させる。

すると、ＬＤ５１の端面から垂直に出射された光ビームは、ビームの広がり角に関わらず、レンズ５２を通ることによりすべて平行に絞られて、レンズ５２から平行光が出射される。

図６はＳＯＡとレンズとの光結合を示す図である。図５で示した構成に着目し、ＳＯＡ１１の出射端面とレンズ２１のレンズ主面とを平行に配置し、ＳＯＡ１１から斜めに出射されている光ビームの出射点をレンズ２１の中心線に一致させて、ＳＯＡ１１からの出射光をレンズ２１の片側面に入射させる。この場合、レンズ２１の焦点位置とＳＯＡ２１の出射点とを一致させる。

このような配置にすることで、ＳＯＡ１１から斜めに出射された光ビームについても、広がり角のすべての成分がレンズ２１で平行に集光され、レンズ２１から平行光が出射されることになる。なお、ここでの説明では、単チャネルの構成を例に挙げて説明したが、複数チャネルのアレイ構成についても同様である。

次にレンズアレイ２０のレンズ２１の特徴について説明する。レンズ２１には球面収差のない無収差レンズ（または球面収差の小さな低収差レンズ）を用いる。まず、球面収差について説明する。なお、収差とは、光学系の結像の不完全さの結果として生じる性能的な誤差であり、理想像からの像の幾何光学的なずれのことをいう。光学系の収差の１つに球面収差がある。

球面収差は、光軸に対し種々の平行光線束が光学系に入射したとき、その対応した像点が１点に結像しない現象と定義される（簡単には、球面の位置によって焦点位置が異なる現象である）。

図７は球面レンズの光線経路を示す図である。球面レンズ５２ａは、球面の部分が真球の一部になっているレンズであり、製造コストが安く量産型のレンズである。ただし、球面レンズ５２ａは、球面収差を持っており、球面の中心付近は収差が少なく、中心から離れるにしたがって収差が大きくなるといった特性を有する。

このような球面レンズ５２ａに光を入射させる場合を考える。ＬＤ５１の出射点と、球面レンズ５２ａの中心とを一致させて、ＬＤ５１からの出射光を球面レンズ５２ａに入射する。このとき、球面レンズ５２ａには球面収差があるために、球面の中心付近は収差が少ないので平行光が生成されるが、中心から離れるにしたがって収差が大きく屈折率が大きくなって、光線経路が内側に曲げられ、平行光が生成されなくなる。

図８は無収差レンズの光線経路を示す図である。無収差レンズ５２ｂでは、球面レンズの曲率半径を大きくして、球面のすべての点で平行光が得られるように製造した非球面レンズである。

ＬＤ５１の出射点と、無収差レンズ５２ｂの中心とを一致させて、ＬＤ５１からの出射光を無収差レンズ５２ｂに入射する。このとき、無収差レンズ５２ｂは、球面収差がないために、すべての光線が平行に集光され、平行光が出射されることになる。光モジュール１では、レンズアレイ２０のレンズ２１として、上記のような球面収差のない（または球面収差の小さなレンズ）レンズを用いるものである。

一方、レンズアレイ２０の他の特徴としては、レンズの中心ほど屈折率が高くなる分布屈折率型レンズをアレイ化したものを用いる。分布屈折率型レンズを用いることにより、ＳＯＡ１１から斜めに入射した光ビームの反射を低減させることができる。

また、レンズアレイ２０の材料としては、低融点ガラスを用いる。低融点ガラスは、ガラスの流動性が高いので、複数レンズをアレイ化する際に容易に製造することが可能である。

次にレンズの蹴られ（shading、eclipse）とＮＡ（Numerical Aperture：開口数）について説明する。図９は蹴られが生じる様子を示す図である。ＳＯＡ１１から斜めに出射された光ビームをレンズ２に入射させる場合、光ビームの広がり角により、図９に示すようにレンズ２から光がはみ出す部分、いわゆる「蹴られ」の部分が発生するおそれがある。

蹴られとは、光学系を通過する有効光線束が遮られる現象である。レンズとして機能する面以外に光が当たることにより蹴られが生じ、その部分では光を取り込めないので光量が減少することになる。

図１０は高ＮＡのレンズによる光結合を示す図である。ＮＡとは、レンズの光学性能を表す指標の１つであり、レンズに入射または出射する光線束の最大錐角の半角の正弦で表される。ＮＡが大きいレンズほど、光を多く取り込むことができる。

図１１にＮＡを示す。ｎを物体空間の媒質の屈折率、θを物体空間の媒質でのレンズ２１に対する最大錐角の半角とすると、ＮＡは式（１）で表せる。
ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθ・・・（１）
レンズ２１は、ＳＯＡ１１からの出射光をできるだけ多く取り込んで、蹴られによる光結合損失劣化を防ぐことが重要となる。このためには、レンズ２１のＮＡを大きくする必要がある。ＮＡを大きくするためには、式（１）からθを大きくすればよいので、焦点距離を短くするか、レンズ系を大きくとればよい。

図１０のレンズ２１の場合は、図９のレンズ２と比べて、レンズ系は変わらないが、レンズ２１のレンズ面のふくらみ量を大きくして焦点距離を短くすることで、ＮＡの値を大きくしている。このような高ＮＡのレンズ２１を使用することで、蹴られの発生を防止する。

次にＳＯＡ１１から出射される光ビームのビーム中心線（以下、光ビーム中心線）の傾斜角の範囲について説明する。図１２は光ビーム中心線の傾斜角を示す図である。図１３は光ビーム中心線の傾斜角と反射減衰量との関係を示す図である。横軸は光ビームの傾斜角（φ）であり、縦軸はＳＯＡ端面の反射減衰量（ｄＢ）である。

最初に光ビーム中心線の傾斜角φの下限値について求める。ＳＯＡなどの増幅器では、トータルの反射減衰量を、例えば−４０ｄＢ以下に抑えることが指標となる。ＳＯＡ１１の出射端面には、上述したように、ＡＲコートが添付され、ＡＲコートによる反射減衰量は−３０〜−３５ｄＢが可能である。したがって、−４０ｄＢまで下げるためには、あと−５〜−１０ｄＢの低減が必要となる。

ＳＯＡ１１の光ビーム中心線の傾斜角とＳＯＡ端面の反射減衰量の関係は、図１３のグラフｇ１となる（上述の非特許文献１の記載事項の計算にもとづき得られる）。グラフｇ１から、−５ｄＢ以下の反射減衰量を得るためには、光ビーム中心線の傾斜角φを１６度以上にすればよいことがわかる。

次に光ビーム中心線の傾斜角φの上限値について求める。ＳＯＡ端面の反射減衰量を低減させるためには、光ビーム中心線の傾斜角φを大きくすればよいが、傾斜角φが大きすぎると、今度は、レンズの蹴られによる光損失が起こるため、これを抑えるための傾斜角の上限を決める必要がある。

近年のレンズでは、レンズのＮＡとして０．８５程度に大きなものが得られるようになっており、この場合、レンズの入射見込み角度をθ₁とすると、入射見込み角θ₁は、式（１）からおよそ５８度（＝ｓｉｎ^-1（１・０．８５））に相当する。

一方、ＳＯＡ１１の光ビーム強度の１／ｅ²の広がりの片側角度をθ₂とすると、近年の広がり角が小さいデバイスにおいては、θ₂は１６度程度である。したがって、これらの条件のもとで、光ビーム中心線の傾斜角φの最大の角度は、５８度−１６度＝４２度となる。以上のことから、光ビーム中心線の傾斜角φの範囲は、１６°≦φ≦４２°となり、この範囲で光ビームを出射するＳＯＡが対象となる。なお、レンズの開口数で規定される入射見込み角は、一般的に記すと、傾斜角φと、光ビームの広がりの片側の角度θ₂との和以上に設定することになる。

上述の１／ｅ²について簡単に説明する。図１４はスポットサイズを説明するための図である。光ビームの広がり分布は、通常、正規分布で近似されることで、光ビームの広がりの度合いを表す。この場合、正規分布のピークパワーの１／ｅ²の半値をスポットサイズ（ω）といい、−ωから＋ωまでの２ωの領域のパワーが全体パワーの約９５．４５％を占める。

光ビームの広がりのうち、どの程度までの広がりを考慮すればよいかを考える場合、このスポットサイズに相当する広がり分までを捉えられるように設計されるものである。なお、発光点からの放射角をθａ、波長をλ、スポットサイズをωとすると、以下の式（２）の関係が得られる。

θａ＝ｔａｎ^-1（λ／π・ω）・・・（２）
次にＳＯＡ１１内の光導波路の傾斜角について説明する。上記ではＳＯＡ１１から出射される光ビーム中心線の傾斜角についての範囲を示したが、ここでは、ＳＯＡ１１内の光導波路の傾斜角の範囲について上記と同様な考えで導く。

図１５は光導波路の傾斜角を示す図である。図１６は光導波路の傾斜角と反射減衰量との関係を示す図である。横軸は光導波路の傾斜角（φａ）であり、縦軸はＳＯＡ端面の反射減衰量（ｄＢ）である。

最初に光導波路の傾斜角φａの下限値を求める。ＳＯＡなどの増幅器では、トータル反射減衰量を例えば、−４０ｄＢ以下に抑えることが指標となり、ＳＯＡの出射端面には、ＡＲコートが添付されて、ＡＲコートにより−３０〜−３５ｄＢの反射減衰量が得られる。したがって、−４０ｄＢまで下げるためには、あと−５〜−１０ｄＢの低減が必要となる。

ＳＯＡ１１の光導波路Ｌの傾斜角φａとＳＯＡ端面の反射減衰量の関係は、図１６のグラフｇ２となる。グラフｇ２から、−５ｄＢ以下の反射減衰量を得るためには、光導波路の傾斜角φａを５度以上にすればよいことがわかる。

次に光導波路Ｌの傾斜角φａの上限値を求める。ＳＯＡ端面の反射減衰量を低減させるためには、光導波路Ｌの傾斜角φａを大きくすればよいが、傾斜角φａが大きすぎると、今度は、レンズの蹴られによる光損失が起こるため、これを抑えるための傾斜角φａの上限を決める必要がある。

レンズのＮＡを０．８５とし、このときのレンズの入射見込み角度をθ₁とすると、見込み角θ₁は、およそ５８度（＝ｓｉｎ^-1（１・０．８５））に相当する。一方、ＳＯＡ１１の光ビーム強度の１／ｅ²の広がり角度をθ₂とすると、θ₂は１６度程度である。このため、光ビーム中心線の傾斜角φの最大の角度は５８度−１６度＝４２度となる。

したがって、ＳＯＡ１１の光導波路Ｌの屈折率をｎとしたときに、スネルの法則から、ｎ・ｓｉｎφａ＝１・ｓｉｎ（４２°）となるので、φａ＝１２°が得られる。以上のことから、光導波路Ｌの傾斜角φａの範囲は、５°≦φａ≦１２°となり、ＳＯＡ端面の垂直線に対して、この範囲の傾斜角φａの光導波路Ｌを有するＳＯＡが対象となる。

次に光モジュール１の効果について説明する。図１７は光モジュール６の内容を示す図であり、図１８は光モジュール６−１、６−２の内容を示す図である。また、図１９は光モジュール１の効果を示す図である。

図１７において、図２７で示した従来構成の光モジュール６では、製造コストは増大しないが、ＳＯＡアレイ６１ａからの出射ビームが、レンズアレイ６２ａの各レンズの中心に対して傾いて入射するため、レンズアレイ６２ａにおいて平行光が生成されず、後段に配置される、光ファイバアレイに対する光結合の損失が大きく劣化する。

図１８において、図２９、図３０で示した従来構成の光モジュール６−１、６−２では、ＳＯＡの出射光の中心ビームをレンズの中心線に平行にして一致させるようにして、ＳＯＡとレンズとを配置することにより、レンズからは平行光が出射されることになり、光結合損失の劣化を抑制することが可能になる。

しかし、このような配置にするためのアレイ構造とするには、ＳＯＡアレイ６１−１またはレンズアレイ６２−１のような歪な形状となり、このような段差を付けるための製造が難しく、また、ＳＯＡアレイ６１−１やレンズアレイ６２−１の部品製造コストが大幅に増大する
これらに対し、図１９に示す光モジュール１では、ＳＯＡアレイ１０の光ビーム出射端面とレンズアレイ２０のレンズ主面とを平行に配置し、各ＳＯＡから斜めに出射されている光ビームの出射点とレンズ中心線とを一致させて、レンズに光ビームを入射させる。これにより、レンズアレイ２０で複数チャネルの平行光が生成されるので、後段に配置される光ファイバアレイへの光結合損失の劣化を抑制することが可能になる。

また、ＳＯＡ単体素子を平行に連ねて配列してアレイ化し、レンズ単体も平行に連ねて配列してアレイ化すればよいので、製造が容易であり、製造コストの低減が可能である。このように、低損失化と低コスト化を両立するのは光モジュール１であることがわかり、実測の結果、光結合損失で２倍以上であり、見積もりの結果、コストで５倍以上の差が得られた。

次に光モジュール１の変形例について説明する。図２０、図２１は光モジュールの変形例を示す図である。光モジュール１ａは、ＳＯＡアレイ１１とレンズアレイ２０ａを備える。レンズアレイ２０ａは、表面と裏面の両面に対して、レンズの凸部が形成されているレンズアレイである。

また、表面の凸部の位置と裏面の凸部の位置がレンズ基板面に対して鉛直真裏に配置されず、レンズに入射した後のレンズ基板における斜めビームの屈折量に合わせて、ビームの斜め角度θｃとレンズ基板厚みｔの積に相当する量ｄだけ、アレイ方向にレンズの凸の中心をシフトさせている構造を有している。

レンズの凸部の中心のシフト量は、以下の式（３）で表せる。
ｄ＝ｔ・ｔａｎθｃ・・・（３）
このように、表面と裏面とが共に凸部であるレンズアレイを用いる場合は、表面凸部の中心と裏面凸部の中心をずらしたレンズアレイ２０ａを用いることにより、効率よく平行光を生成することができる。

次に光モジュール１を適用したＳＯＡアレイモジュールの構成について説明する。図２２はＳＯＡアレイモジュールの構成例を示す図である。ＳＯＡアレイモジュール１ｂは、メインパッケージｍ１とサブパッケージｓ１ａ、ｓ１ｂとから構成されるモジュールである。

メインパッケージｍ１の内部には、ＳＯＡアレイ１０、ＳＯＡキャリア１０ａ、レンズ２０ａ−１、２０ｂ−１（レンズアレイ２０のレンズに該当）、サーミスタ１４、ペルチェ素子１５、気密封止用窓１６ａ、１６ｂ、ファンナウト（fan out）型端子部１９ａ、１９ｂが配置される。

ここで、ＳＯＡキャリア１０ａの電極ピッチと、メインパッケージｍ１のセラミック端子ピッチとは大きく異なるため、一般的には、ピッチを整合するためのファンナウト型端子部１９ａ、１９ｂをＳＯＡキャリア１０ａとメインパッケージｍ１のセラミック端子の間に挿入する。図では、ファンナウト型端子部１９ａ、１９ｂが、ＳＯＡキャリア１０ａの両側に配置され、ストリップラインで接続している状態を図示してある。

また、メインパッケージｍ１内では、レンズ２０ａ−１、２０ｂ−１を、ＳＯＡアレイ１０の近傍にペルチェ素子１５とともに配置し、気密封止用窓１６ａ、１６ｂで封止して、ＳＯＡアレイ１０を水分や酸素から遮断している。

さらに、気密封止用窓１６ａ、１６ｂを通してメインパッケージｍ１の外側には、サブパッケージｓ１ａ、ｓ１ｂが取り付けられる。サブパッケージｓ１ａは、反射防止用の光アイソレータ１８ａ、集光レンズ３０ａ−２、光ファイバアレイ４０ａ、溶接固定用スリーブ１７ａを含み、サブパッケージｓ１ｂは、反射防止用の光アイソレータ１８ｂ、集光レンズ３０ｂ−２、光ファイバアレイ４０ｂ、溶接固定用スリーブ１７ｂを含み、それぞれの部品は位置合わせを行ったあとＹＡＧレーザなどで溶接固定される。

ここで、ＳＯＡアレイモジュール１ｂを製造する際は、型を用いてプレス工程でレンズおよびレンズホルダをつくりあげたものを用いる。また、ＳＯＡアレイ１０とレンズアレイ２０ａ−１、２０ｂ−１とを予め位置合わせして固定して製造する。さらに、集光レンズ３０ａ−２と光ファイバアレイ４０ａとを予め位置合わせをして固定して製造する。さらにまた、集光レンズ３０ｂ−２と光ファイバアレイ４０ｂとを予め位置合わせをして固定して製造する。そして、これらの固定部品のそれぞれの位置合わせを行って、モジュール組立構成を行う。このような組立構成にすることにより、光学系の位置合わせを容易にして製造することが可能になる。

（付記１） 素子端面の垂直線に対し傾斜して光ビームが出射する複数の光素子が配列した光素子アレイと、
複数のレンズが配列したレンズアレイと、
を備え、
前記光素子の前記光ビームの出射点を、前記レンズの中心線の位置に一致させて、前記光ビームを前記レンズに入射する、
ことを特徴とする光モジュール。

（付記２） 前記レンズの開口数で規定される見込み角を、前記光素子から出射される前記光ビームのビーム中心線と前記垂直線とがなす傾斜角度と、前記光ビームの広がりの片側の角度との和以上に設定することを特徴とする付記１記載の光モジュール。

（付記３） 前記光素子から出射される前記光ビームのビーム中心線と前記垂直線とがなす傾斜角をφとした場合、傾斜角φの範囲は、１６°≦φ≦４２°であることを特徴とする付記１記載の光モジュール。

（付記４） 前記光素子の内部の光導波路と前記垂直線とがなす傾斜角をφａとした場合、傾斜角φａの範囲は、５°≦φａ≦１２°であることを特徴とする付記１記載の光モジュール。

（付記５） 前記光素子アレイと前記レンズアレイの光結合部分では、前記レンズの中心から外れた片側の面の位置に、前記光素子から出射された光ビームが通過することを特徴とする付記１記載の光モジュール。

（付記６） 前記レンズアレイは、前記レンズの中心ほど屈折率が高くなる分布屈折率型レンズをアレイ化した構造を有することを特徴とする付記１記載の光モジュール。
（付記７） 前記レンズアレイのレンズの材料は、低融点ガラスを用いることを特徴とする付記１記載の光モジュール。

（付記８） 前記レンズアレイは、前記レンズの表面と裏面の両面に、凸部が形成され、表面凸部の中心位置と、裏面凸部の中心位置とが、レンズ基板面に対して鉛直真裏に配置されず、レンズに入射した後のレンズ基板における斜め光ビームの屈折量に合わせて、光ビームの斜め角度とレンズ基板厚みの積に相当する量だけアレイ方向に、前記表面凸部の中心または前記裏面凸部の中心をシフトさせた構造を有することを特徴とする付記１記載の光モジュール。

（付記９） 複数の光ファイバが配列した光ファイバアレイと、複数の集光レンズが配列して前記レンズから出射した平行ビームを前記光ファイバに集光する集光レンズアレイと、をさらに有し、
前記光ファイバの入射点を、前記集光レンズの中心線の位置に一致させることを特徴とする付記１記載の光モジュール。

（付記１０） 前記光素子アレイの端面に対して、前記レンズアレイのレンズ主面、前記集光レンズアレイのレンズ主面および前記光ファイバアレイの入射端面を平行に配置することを特徴とする付記９記載の光モジュール。

（付記１１） 前記レンズアレイの表面と裏面のいずれか一方は平板構造であって、平板構造の面を前記光素子の端面に向けて配置し、
前記集光レンズアレイの表面と裏面のいずれか一方は平板構造であって、平板構造の面を前記光ファイバアレイの端面に向けて配置することを特徴とする付記９記載の光モジュール。

（付記１２） 前記レンズアレイと前記集光レンズアレイとの間に、光アイソレータをアレイ化したアレイ・アイソレータが配置することを特徴とする付記９記載の光モジュール。

（付記１３） 前記光素子アレイと前記レンズアレイとを予め位置合わせして固定して第１の固定部品を製造し、前記集光レンズアレイと前記光ファイバアレイとを予め位置合わせをして固定して第２の固定部品を製造し、前記第１の固定部品と前記第２の固定部品との位置合わせをすることによって、モジュール組立構成を行うことを特徴とする付記９記載の光モジュール。

（付記１４） 前記光素子の光ビーム出射点と前記レンズの光軸を一致させるときに、前記光素子内の光路と前記光軸は一致しないことを特徴とする付記１記載の光モジュール。

１ 光モジュール
１０ 光素子アレイ（ＳＯＡアレイ）
１１−１〜１１−４ 光素子（ＳＯＡ）
２０ レンズアレイ
２１−１〜２１−４ レンズ
ｓ１〜ｓ４ 光ビーム出射点
ｒ１〜ｒ４ レンズ中心線

Claims (9)

1. 素子端面の垂直線に対し傾斜して光ビームが出射する複数の光素子が配列した光素子アレイと、
   複数のレンズが配列したレンズアレイと、
   を備え、
   前記光素子の前記光ビームの出射点を、前記レンズの中心線の位置に一致させて、前記光ビームを前記レンズに入射する、
   ことを特徴とする光モジュール。
2. 前記レンズの開口数で規定される見込み角を、前記光素子から出射される前記光ビームのビーム中心線と前記垂直線とがなす傾斜角度と、前記光ビームの広がりの片側の角度との和以上に設定することを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
3. 前記光素子から出射される前記光ビームのビーム中心線と前記垂直線とがなす傾斜角をφとした場合、傾斜角φの範囲は、１６°≦φ≦４２°であることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
4. 前記光素子の内部の光導波路と前記垂直線とがなす傾斜角をφａとした場合、傾斜角φａの範囲は、５°≦φａ≦１２°であることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
5. 前記レンズアレイは、前記レンズの表面と裏面の両面に、凸部が形成され、表面凸部の中心位置と、裏面凸部の中心位置とが、レンズ基板面に対して鉛直真裏に配置されず、レンズに入射した後のレンズ基板における斜め光ビームの屈折量に合わせて、光ビームの斜め角度とレンズ基板厚みの積に相当する量だけアレイ方向に、前記表面凸部の中心または前記裏面凸部の中心をシフトさせた構造を有することを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
6. 複数の光ファイバが配列した光ファイバアレイと、複数の集光レンズが配列して前記レンズから出射した平行ビームを前記光ファイバに集光する集光レンズアレイと、をさらに有し、
   前記光ファイバの入射点を、前記集光レンズの中心線の位置に一致させることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
7. 前記光素子アレイの端面に対して、前記レンズアレイのレンズ主面、前記集光レンズアレイのレンズ主面および前記光ファイバアレイの入射端面を平行に配置することを特徴とする請求項６記載の光モジュール。
8. 前記レンズアレイの表面と裏面のいずれか一方は平板構造であって、平板構造の面を前記光素子の端面に向けて配置し、
   前記集光レンズアレイの表面と裏面のいずれか一方は平板構造であって、平板構造の面を前記光ファイバアレイの端面に向けて配置することを特徴とする請求項６記載の光モジュール。
9. 前記光素子の光ビーム出射点と前記レンズの光軸を一致させるときに、前記光素子内の光路と前記光軸は一致しないことを特徴とする請求項１記載の光モジュール。

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